TD 002 - Matéria e energia

O universo é constituído basicamente por matéria e energia. Os sistemas termodinâmicos, sendo porções do universo, são também compostos por matéria e energia que são conceitos primitivos, portanto, intuitivos. Isso significa que não podem ser definidos sem cair numa tautologia.

Nesta situação, o melhor é usar os atributos básicos. Assim, a matéria é concreta e ocupa espaço físico, a energia não. A matéria tem massa de repouso e a energia não tem. A matéria é bariônica e a energia é fotônica. Logo são coisas diferentes. Todo mundo sabe disso, mas faltam as palavras adequadas para uma boa explicação.

Apesar das diferenças, a equivalência entre matéria e energia é estabelecida pela fórmula mais famosa e conhecida de Einstein:

E = mc²

Ela diz basicamente que, se uma quantidade m de matéria desaparece, uma quantidade E de energia surge em seu lugar ou vice-versa. A constante, c, que aparece na fórmula é a velocidade da luz no vácuo que é uma constante universal usada no SI para definir a unidade de comprimento, o metro.

A Termodinâmica, pelo menos a usada na engenharia química, aborda fenômenos onde esta conversão matéria-energia ou não ocorre, ou pode ser desprezada. Nestas circunstâncias, matéria e energia são coisas distintas e que obedecem a leis de conservações próprias e separadas.

Na física a massa surge em dois contextos. Na lei da inércia de Newton, a aceleração de um corpo é proporcional a resultante das forças aplicadas sobre ele. A constante de proporcionalidade é a massa do corpo. Esta massa é conhecida como massa inercial. Na lei da gravitação, também de Newton, a força de atração gravitacional entre dois corpos é diretamente proporcional ao produto das massas dos corpos e inversamente proporcional ao quadrado da distância que os separa. A massa que aparece nesta lei é a massa gravitacional. É surpreendente que sejam iguais, mas a teoria da relatividade se baseia na equivalência entre gravitação e inércia.

Nos sistemas termodinâmicos, a matéria é constituída por partículas elementares que se juntam para formar átomos, os quais, por sua vez, se unem para formar moléculas, íons, radicais livres, etc. As interações entre estas partículas elementares fazem com que a matéria possa, sob o ponto de vista macroscópico, se apresentar em três estados de agregação: sólido, líquido e gasoso. Existem outros estados da matéria, mas, por enquanto, estes são suficientes.

A energia é um ente físico-matemático, que decorre da aplicação das leis de Newton e que está intimamente associada com as partículas materiais nas formas de energia cinética e potencial. A energia cinética se esconde nos movimentos translacionais, vibracionais e rotacionais destas partículas. A energia potencial, por seu lado, está associada aos campos de força, entre os quais os mais conhecidos são os campos gravitacional e eletromagnético. Assim, existe a energia potencial devida ao posicionamento dos elétrons na capa eletrônica dos átomos e ao posicionamento dos prótons e nêutrons nas camadas de energia do núcleo atômico. Apesar de estar intimamente ligada a matéria, a energia pode trafegar sozinha no espaço vazio na forma de fótons.